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In situ Untersuchung der hochdynamischen Grenzflächeninstabilität im Zylinderspalt

Schäfer, Julian Konrad (2020):
In situ Untersuchung der hochdynamischen Grenzflächeninstabilität im Zylinderspalt.
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00014204,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: In situ Untersuchung der hochdynamischen Grenzflächeninstabilität im Zylinderspalt
Language: German
Abstract:

Der Tiefdruck wird zunehmend für die Herstellung extrem dünner, homogener und geschlossener Schichten für die Fertigung von z.B. funktionalen Bauteilen verwendet. Zur Herstellung dieser dünnen Schichten wird sich der Filmspaltung bedient, wobei ein Fluidfilm im Zylinderspalt zwischen Substrat und Druckform in schnell laufenden Druckmaschinen gespalten wird. Eine unter Umständen dabei entstehende Grenzflächeninstabilität geht mit der Ausbildung fingerförmiger Strukturen einher. Diese korrumpieren die Filmbildung auf dem Substrat durch lokale Entnetzung und führen zu einer inhomogenen Schichtdickenverteilung. Die vorliegende Arbeit adressiert die in situ Erfassung der auftretenden hochdynamischen Grenzflächeninstabilität im Zylinderspalt einer Tiefdruckmaschine. In diesem Zusammenhang wird erstmalig der optische Zugang in den Druckspalt mit einer Hochgeschwindigkeitskamera im laufenden Betrieb eines Upscaling-Labordrucksystems ermöglicht. Auf dieser Basis wird der Einfluss der Druckgeschwindigkeit und der dreidimensional periodisch strukturierten Druckformoberfläche auf die mittlere Fingerfrequenz als charakteristische Größe der hochdynamischen Grenzflächeninstabilität experimentell untersucht. Die im Zylinderspalt vorliegende Grenzflächeninstabilität ist der Saffman-Taylor Instabilität ähnlich, welche ebenfalls zur Entstehung von Strukturen in Form von viskosen Fingern führt, deren Frequenz mit einer charakteristischen Geschwindigkeit skaliert. Aufgrund der Ähnlichkeit wird eine Abhängigkeit der beobachteten hochdynamischen Grenzflächeninstabilität von der Druckgeschwindigkeit erwartet. Nach der optischen Erfassung findet die automatisierte Verarbeitung der erfassten Bilddatensätze mit Mitteln der industriellen Bilddatenverarbeitung statt. Charakteristische Merkmale der fingerförmigen Strukturen werden für eine Template Filterung identifiziert. Mehrere Hundert bis Tausend Bilder durchlaufen die Filterung für jeden Bilddatensatz, wobei Eigenschaftsbilder mit hervorgehobenen fingerförmigen Strukturen erzeugt werden. In diesen Eigenschaftsbildern wird jeweils die Fingeranzahl ermittelt, die im Anschluss in der mittleren Fingerfrequenz als charakteristische Größe der hochdynamischen Grenzflächeninstabilität zusammengefasst wird. Die erwartete Abhängigkeit der mittleren Fingerfrequenz von der Druckgeschwindigkeit kann nicht festgestellt werden. Ebenso wenig wird ein Einfluss des Näpfchenvolumens identifiziert. Vielmehr zeigt sich ein bisher unbekannter signifikanter Einfluss der Rasterfrequenz in Form eines Lock-In-Phänomens. Dabei kommt es zu einem Einrasten der mittleren Fingerfrequenz allein in Abhängigkeit der Rasterfrequenz, was durch ein Skalierungsgesetz beschrieben wird. Der dominierende Einfluss der Rasterfrequenz wird mit dem tatsächlichen Kontakt zwischen Substrat- und Druckformoberfläche im Druckspalt begründet, wohingegen in bisherigen Untersuchungen explizit ein Spalt angenommen wird. Diese mikroskopische Änderung führt zu unbekannten Strömungsprofilen innerhalb des Fluids im Zylinderspalt, die nicht über vorliegende Modelle beschrieben werden können. Die vorgestellte Methode der in situ Untersuchung der hochdynamischen Grenzflächeninstabilität im Zylinderspalt bietet dabei die Möglichkeit, die Modellbildung zu unterstützen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Gravure printing is increasingly used for the production of extremely thin, homogeneous and closed layers for the manufacture of functional components, for instance. Film splitting is used to produce these thin layers. Here, a fluid film is split in the cylinder gap between substrate and printing form in fast-running printing machines. An interfacial instability that may arise in the film splitting process is accompanied by the formation of finger-shaped structures. These corrupt the film formation on the substrate by local de-wetting and lead to an inhomogeneous layer thickness distribution. The present work addresses the in situ acquisition of the occurring highly dynamic interfacial instability in the cylinder gap of a gravure printing press. In this context, the optical access into the printing nip with a high speed camera during operation of an upscaling laboratory printing system is enabled for the first time. On this basis, the influence of the printing velocity and the three-dimensionally periodically structured printing form surface on the mean finger frequency as a characteristic quantity of the highly dynamic interfacial instability is experimentally investigated. The interfacial instability present in the cylinder gap is similar to the Saffman-Taylor instability, which also leads to the formation of structures in the form of viscous fingers whose frequency scales with a characteristic velocity. Due to the similarity, a dependency of the observed highly dynamic interfacial instability on the printing velocity is expected. After optical acquisition, the acquired image data sets are automatically processed using industrial image data processing tools. Characteristic features of the finger-shaped structures are identified for template filtering. Several hundred to thousand images pass through the filtering for each image data set, whereby property images with highlighted finger-shaped structures are generated. In these property images, the number of fingers is determined, which is then summarized in the mean finger frequency as a characteristic quantity of the highly dynamic interface instability. The expected dependency of the mean finger frequency on the printing velocity cannot be determined. Neither can an influence of the cell volume be identified. Rather, a significant influence of the screen frequency in the form of a lock-in phenomenon, which has not been known up to now, is shown. This results in a lock-in of the mean finger frequency solely as a function of the screen frequency, which is described by a scaling law. The dominant influence of the screen frequency is explained by the actual contact between substrate and printing form surface in the printing nip, whereas in previous investigations a gap is explicitly assumed. This microscopic change leads to unknown flow profiles within the fluid in the cylinder gap, which cannot be described by existing models. The introduced method, the in situ investigation of the highly dynamic interfacial instability in the cylinder gap, offers the possibility to support the model building.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Printing Science and Technology (IDD)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Printing Science and Technology (IDD) > Funktionales Drucken
Date Deposited: 04 Nov 2020 11:12
Last Modified: 04 Nov 2020 11:35
DOI: 10.25534/tuprints-00014204
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-142049
Referees: Dörsam, Prof. Dr. Edgar and Roisman, Prof. Dr. Ilia and Butt, Prof. Dr. Hans-Jürgen
Refereed: 14 October 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/14204
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